EP4272007A1 - Vorrichtung und verfahren zum überwachen eines halbleiterbauelements - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum überwachen eines halbleiterbauelements

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EP4272007A1
EP4272007A1 EP21839389.0A EP21839389A EP4272007A1 EP 4272007 A1 EP4272007 A1 EP 4272007A1 EP 21839389 A EP21839389 A EP 21839389A EP 4272007 A1 EP4272007 A1 EP 4272007A1
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EP
European Patent Office
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semiconductor component
output
leakage current
determined
limit value
Prior art date
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EP21839389.0A
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EP4272007B1 (de
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Timo Schary
Daniel MONTEIRO DINIZ REIS
Frank Schatz
Mathias MEWS
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
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    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607—Circuits therefor
    • G01R31/2621—Circuits therefor for testing field effect transistors, i.e. FET's
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches

Definitions

  • the invention is based on a device and a method for monitoring a semiconductor component.
  • semiconductor components consisting of at least two electrodes and at least one intermediate dielectric layer, which are operated when an electrical voltage is applied, dielectric breakdown is always a relevant factor with regard to their service life.
  • Another factor limiting the lifetime of the semiconductor component is the development of high leakage currents or the drop in performance due to the destruction of the active area of the component.
  • semiconductor components with dielectric layers can be monitored during operation and not only their defects can be detected, but also a prediction of the remaining useful life can be made.
  • a degradation process that follows the dielectric breakdown. Lifetime monitoring is thus implemented, which includes a leakage current development and a development of the performance based on a leakage current level and/or a first breakthrough “first peak” and/or a performance of the semiconductor component, here a polarization.
  • the method for monitoring a semiconductor device provides that when the semiconductor device is in operation, a leakage current is detected which flows through a first electrode and a second electrode of the semiconductor device, the leakage current being compared with a first limit value for the leakage current and being dependent an output is determined from a result of the comparison and/or a point in time is determined at which an extreme point, in particular a maximum, of the leakage current occurs and an output is determined depending on the point in time, the output comprising a state of the semiconductor component, and the output is issued. This makes it possible to make an internal state of the semiconductor component accessible for lifetime monitoring.
  • a reference limit value and a reference temperature are specified, a current temperature of the semiconductor component or an environment of the semiconductor component is determined, a factor is determined depending on the current temperature and the reference temperature, the reference limit value is scaled with the factor and the first Limit value and/or the second limit value is determined as a function of the reference limit value scaled with the factor.
  • a control signal is determined that specifies an operating mode for the semiconductor component, the control signal being output in order to drive the semiconductor component or a device that includes the semiconductor component to operate in the operating mode.
  • the device for monitoring the semiconductor component includes a measuring device, a computing device and an output device, wherein the measuring device is designed to detect a leakage current during operation of the semiconductor component, which flows through a first electrode and a second electrode of the semiconductor component, wherein the computing device is designed to compare the leakage current in a comparison with a first limit value for the leakage current and to determine an output depending on a result of the comparison and/or wherein the computing device is designed to determine a point in time at which an extreme point, in particular a maximum, of the Leakage current occurs and to determine an output depending on the point in time, the output comprising a state of the semiconductor component, and wherein the output device is designed to output the output.
  • the invention also relates to a micro-electro-mechanical system, MEMS, a memory, an actuator, a micro-mirror, a print head or a loudspeaker, which comprises this device for monitoring a semiconductor component and the semiconductor component
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a semiconductor component
  • Fig. 2 shows a first state for a first distribution of defects
  • Fig. 3 shows a second state for the first distribution of defects
  • Fig. 4 shows a third state for the first distribution of defects
  • Fig. 5 a fourth state for the first distribution of defects
  • FIG. 6 a fifth state for the first distribution of defects
  • FIG. 7 shows a first profile of a leakage current level according to the first distribution
  • FIG. 8 shows a second profile of a leakage current level according to the first distribution
  • FIG. 9 shows a first state for a second distribution of defects
  • FIG. 10 shows a second state for the second distribution of defects
  • Fig. 11 a third state for the second distribution of defects
  • Fig. 12 a fourth state for the second distribution of defects
  • Fig. 13 a fifth state for the second distribution of defects
  • FIG. 15 shows a device for monitoring the semiconductor component
  • FIG. 16 shows a method for monitoring the semiconductor component.
  • the following description uses knowledge of a failure mechanism in dielectric layers in order to derive a prediction of a remaining service life from measurable changes during operation of a semiconductor component that comprises one or more dielectric layers. This can be used in safety-relevant applications to issue individual, use-specific maintenance instructions or warnings.
  • maintenance intervals or active monitoring of components are designed to prevent critical errors through early replacement or to indicate an error when it is already too late and the component has failed.
  • the specified maintenance/replacement intervals are determined statistically and often reflect very conservative limits for the totality of all parts under one assumed average load profile again. Load profiles are crucial but can only be estimated.
  • the gradual behavior can be, for example, a gradual increase in leakage current or a gradual drop in power/performance.
  • a leakage current profile changes, for example, due to the accumulation of defects at a boundary layer between a dielectric of the dielectric layer and one of the electrodes. Defects attached to the boundary layer have an impact on barrier height. Knowing an initial barrier height and the parameters that describe a space charge limited current component, space charge limited current, a time profile of the leakage current can be mapped. It is also possible to describe the course of the leakage current before and after a first dielectric breakdown. Due to a connection between leakage current degradation and performance degradation, it is also possible to describe a performance loss.
  • leakage current is monitored.
  • a performance of the semiconductor device is monitored.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a semiconductor device 100.
  • the semiconductor device 100 comprises a first electrode 102, a second electrode 104 and a dielectric layer 106.
  • the dielectric layer 106 is arranged between the first electrode 102 and the second electrode 104 .
  • the first electrode 102 and the second electrode 104 are arranged on opposite sides of the dielectric layer 106 .
  • defects D1 of a first defect type there are defects D1 of a first defect type, defects D2 of a second defect type and defects D3 of a third defect type in the dielectric layer 106 .
  • defects D1 of the first type of defect there can also only be defects D1 of the first type of defect or only defects of two different types of defects. Defects of more than three defect types can also be present.
  • these defects are arranged in a starting position. In the example, the starting position is defined by a manufacturing process of the dielectric layer. In the example, the defects are arranged at different distances from the first electrode 102 and the second electrode 104 .
  • the defects are charged defects which, when a potential is applied between the first electrode 102 and the second electrode 104, move to a respective interface between the dielectric layer 106 and either the first electrode 102 or the second electrode 104 according to their charge.
  • the boundary layer is hereinafter referred to as referred to as "interface”. This transport of the charged defects is determined by defect properties and a "hopping mechanism".
  • hopping mechanism means that a displacement, ie a hopping, of the defects takes place in an electric field E acting through the respective applied voltage U in the dielectric layer 106 of thickness d.
  • the defects of defect type i move along localized defect states with an average effective distance a i . This leads to a speed v i of the movement of the defects of defect type i.
  • the speed v i is described using the well-known variable range hopping approach:
  • C 0,i (a i ) represents a function which represents an influence of a local defect distribution on a characteristic speed v i of the defects i in the dielectric layer 106 .
  • This defect distribution represents a property of the dielectric layer 106 . This property also determines the movement of the defects of defect type i in the dielectric layer 106 .
  • the parameters decay length a, mean effective distance a i , activation energy E A, 0,i , electrical charge N q, i of defects of defect type i are physical properties.
  • the Boltzmann constant is denoted by k B .
  • T denotes the temperature of the surroundings of the defect under consideration, in particular the temperature in the dielectric layer 106 .
  • a leakage current density J TED over time can be determined up to a dielectric failure using the equation of the thermionic emission diffusion theory according to Crowell and Sze:
  • q represents the unit charge
  • N c the effective Density of states in the conduction band
  • v R the effective
  • v D the effective diffusion velocity
  • k B the Boltzmann constant
  • T the ambient temperature and U voltage across the dielectric layer 106.
  • a barrier height change ⁇ ⁇ produced by defects i is characterized by its maximum height ⁇ i and a characteristic time constant ⁇ i .
  • the characteristic time constant ⁇ i defines a period of time in which the barrier height change ⁇ i changes the most over time t:
  • the maximum height ⁇ i is a function of a number Z i of defects i and depends on a type of interface. With the term, the time-dependent
  • the starting position represents a focal point of the distribution. If there are several clusters for the defects of defect type i, one of the clusters can be selected that defines the starting position instead of the focal point. The accumulation that has the greatest influence on the increase in lifetime is preferably selected.
  • Defects of various defect types can be present in the dielectric layer 106 .
  • Defects can exist which, due to their charge, break down the effective Schottky barrier cause increasing barrier height change ⁇ ⁇ . This reduces the leakage current level. In this context, these are referred to as "restorative" defects, for example.
  • Defects can exist which, due to their charge, break down the effective Schottky barrier cause decreasing barrier height change ⁇ ⁇ . This increases it leakage current level. In this context, these are referred to as “degrading” defects, for example.
  • an initial position of defects i is defined by a distance d i of the center of gravity of their distribution from the interface, towards which the defects i strive when the semiconductor component 100 is operated as intended.
  • the time constant ⁇ i can be different for the movement under the influence of a first voltage U1 than for the movement under the influence of a second voltage U2.
  • the time constant ⁇ i can be defined by a mobility of the defects i under the influence of the electric field E in the dielectric layer 106 and by the path to be covered in the dielectric layer 106 until the respective interface is reached.
  • defect type i When moving inside the dielectric layer 106, defect type i must cover the distance d i of the center of its distribution to the interface. Together with the velocity v i the characteristic time constant ⁇ i results for the accumulation process of the defects i in
  • the time constant ⁇ i can be determined from a measurement of the leakage current over time and an evaluation of the time-dependent curve using the equations of the thermionic emission diffusion theory according to Crowell and Sze and the time-dependent behavior of the change in barrier height.
  • the activation energy E A,0,i and the electric charge N q,i of the defects of defect type i can be determined.
  • the charged defects move in a first direction towards the first electrode 102.
  • the second electrical voltage U2 is applied with one of the first electrical voltage U1 of opposite polarity, these charged defects move in a second direction towards the second electrode 102.
  • the semiconductor device 100 may have more than two electrodes.
  • the semiconductor device 100 may have more than one dielectric layer between each two electrodes.
  • a dielectric breakdown is possible with such semiconductor components if they are operated with the application of an electrical voltage. If a dielectric breakdown occurs, the interface will be partially or completely destroyed. When dielectric breakdown occurs, a lifetime of the semiconductor device 100 is shortened. For example, dielectric breakdown occurs when a number of charged defects accumulating at the interface exceed the voltage-dependent threshold.
  • Physical properties and production-specific influences on these physical properties can be influenced by optimizing process conditions and/or process management during production of the dielectric layer 106 . This can extend the service life.
  • growth, growth conditions, a material composition are influenced by the process conditions and/or the process management.
  • the process conditions and/or the way the process is carried out result, for example, in an intended or undesired doping and/or contamination during the growth process or in subsequent processes.
  • a first state for a first distribution p of the defects over a distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the first state is an initial state.
  • a distribution of the defects D1 of the first defect type is denoted by a triangle symbol in FIG. 2 and the following figures.
  • a distribution of the defects D2 of the second defect type is denoted by an asterisk in FIG. 2 and the following figures.
  • a distribution the defect D3 of the third type of defect is denoted by a diamond symbol in Figure 2 and the following figures.
  • a second state for the first distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the second state is an operating state that follows the initial state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 before a first breakdown, in which defects D2 of the second defect type are already accumulating at the interface of the first electrode 102 .
  • a third state for the first distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the third state is an operating state that follows the second state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 before a first breakdown, in which defects D2 of the second defect type and defects D3 of the third defect type are already accumulating at the interface of the first electrode 102 .
  • a fourth state for the first distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the fourth state is an operating state that follows the third state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 before a first breakdown, in which defects D2 of the second defect type and defects D3 of the third defect type are already accumulating at the interface of the first electrode 102 and Defects D1 of the first defect type reach the interface. In this situation, it is still possible in the example to issue a warning before a loss of performance.
  • FIG. 7 shows a profile of a leakage current level I over time t for early detection of a remaining service life. In the example shown in FIG. 7, the performance loss occurs, starting from the initial state, after approximately 10 6 seconds of operation with the first voltage U1.
  • the leakage current levels I for the states described in FIGS. 2 to 6 are identified by way of example.
  • the first state is labeled 0, the second state is labeled 1, the third state is labeled 2, the fourth state is labeled 3, and the fifth state is labeled 4.
  • An exemplary leakage current level 700 is provided for early detection of the remaining service life, and when it is reached, a warning is output, for example.
  • FIG. 8 shows a profile of a leakage current level I over time t for initiating an electrical load with the second voltage U2 for reversing the accumulation of defects.
  • the performance loss occurs, starting from the initial state, after approximately 10 6 seconds of operation with the first voltage U1.
  • the leakage current levels I for the states described in FIGS. 2 to 6 are identified by way of example.
  • the first state is labeled 0, the second state is labeled 1, the third state is labeled 2, the fourth state is labeled 3, and the fifth state is labeled 4.
  • An exemplary leakage current level 800 is provided for the electrical loading with the second voltage U2 for the reversal of the defect accumulation, when this level is reached this is started.
  • a first state for a second distribution p of the defects over a distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the first state is an initial state.
  • a distribution of the defects D1 of the first defect type is denoted by a triangle symbol in FIG. 9 and the following figures.
  • a distribution of the defects D2 of the second defect type is shown in Figure 9 and the following figures are marked with an asterisk.
  • a distribution of the defects D3 of the third defect type is denoted by a diamond symbol in FIG. 9 and the following figures.
  • a second state for the second distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the second state is an operating state that follows the initial state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 before a first breakdown, in which defects D2 of the second defect type are already accumulating at the interface of the first electrode 102 .
  • a third state for the second distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the third state is an operating state that follows the second state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 at an early point in time of the performance loss, in which defects D2 of the second defect type and defects D3 of the third defect type are already present at the interface of the first electrode 102 attach.
  • it is possible in the example to trigger an early warning based on which maintenance of the semiconductor device 100 is carried out.
  • the limit value for the early warning is selected, for example, in such a way that the warning is triggered when approximately 10% of the service life of the semiconductor component 100 has elapsed, starting from the initial state.
  • the performance loss is not noticeable at this point in time, since each individual breakthrough usually only destroys a very small area. Although this can be detected in the current, it is not noticeable with regard to a function of a product, e.g. an actuator product, which includes the semiconductor component 100.
  • a fourth state for the second distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the fourth state is an operating state that follows the third state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1 before a first breakdown, in which defects D2 of the second defect type and defects D3 of the third defect type are already accumulating at the interface of the first electrode 102 and defects D1 of the first defect type reach the interface.
  • the limit value for the early warning is selected, for example, such that the warning is triggered when approximately 50% of the service life of the semiconductor component 100 has elapsed, starting from the initial state.
  • a fifth state for the second distribution ⁇ of the defects over the distance x from the second electrode 104 is shown in FIG.
  • the fifth state is an operating state that follows the fourth state during operation of the semiconductor component 100 with the first voltage U1, in which defects D1 of the first defect type, defects D2 of the second defect type and defects D3 of the third defect type accumulate at the interface of the first electrode 102 and a massive loss of performance occurs. In the example, this is the point in time at which the service life of the semiconductor component 100 ends.
  • the end of the service life relates to the time at which the semiconductor component 100 can no longer be used as intended. This limit can be different for different applications.
  • FIG. 14 shows a course of a leakage current level I over time t.
  • the performance loss increases starting from the initial state and reaches the end of the service life after approximately 9*10 4 seconds of operation with the first voltage U1.
  • the end of life depends on the material and conditions. In the example, the end of the service life is later than the fourth state, but a performance loss can still be small even after the fifth state has been reached.
  • FIG. 14 shows the leakage current level I for the states described in FIGS. 9 to 13 as an example.
  • the first state is marked 0, the second state is marked 1, the third state is labeled 2, the fourth state is labeled 3, and the fifth state is labeled 4.
  • An exemplary leakage current level of 1400 is provided for a critical warning, when this is reached, for example, the critical warning is issued.
  • FIG. 15 shows a device 200 for producing the semiconductor component 100 according to the first embodiment.
  • the device 200 includes a regulating and/or control device 202 which is designed to carry out steps in a method for monitoring the semiconductor component 100 described below.
  • the device 200 can be connected at least temporarily to the first electrode 102 of the semiconductor component 100 via a first conductor 204 .
  • the device 200 can be connected at least temporarily to the second electrode 104 of the semiconductor component 100 via a second conductor 206 .
  • the regulating and/or control device 202 is designed to output a first voltage U1 with a first polarity.
  • the first voltage U1 is present between the first electrode 102 and the second electrode 104 when they are connected to the device 200 with the respective conductor and the regulating and/or control device 202 outputs the first voltage U1.
  • the regulating and/or control device 202 is optionally designed to output a second voltage U2 with a polarity opposite to the first polarity.
  • the second voltage U2 is present between the first electrode 102 and the second electrode 104 when they are connected to the device 200 with the respective conductor and the regulating and/or control device 202 outputs the second voltage U2.
  • the control device can be designed to output an AC voltage or an essentially constant value for the first voltage U1 and/or the second voltage U2. This value is, for example, in a range from 1 volt to 80 volts and is preferably 1 volt, 2 volts or 5 volts or 10 volts or 20 volts or 40 or 80 volts.
  • the dielectric layer 106 is preferably in the form of a polycrystalline oxidic high-k dielectric.
  • the dielectric layer 106 is embodied in particular as a PZT layer.
  • PZT designates Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 .
  • the dielectric layer 106 is embodied in particular as an ANN layer.
  • KNN denotes (K x Na 1-x )NbO 3 .
  • the dielectric layer 106 can be embodied in particular as an HfO 2 , HfZrO 2 , ZrO 2 , BaTiO 3 , SrTiO 3 or (Ba x Sr 1-x )TiO 3 layer.
  • the dielectric layer 106 is doped.
  • the dielectric layer 106 is a PZT layer doped with nickel:
  • Both the PZT layer and the KNN layer can have dopings other than nickel, for example Nb, La, Mn, Mg.
  • the dielectric layer is preferably in the form of a sputtered PZT layer.
  • the so-called target material is deposited on a substrate in a plasma.
  • PZT for example, is used as the target material.
  • the sputtered PZT layer preferably has a deposition temperature of less than 500°C.
  • the thickness of the dielectric layer is preferably in the range from 500 nm to 4 ⁇ m. This is a useful area for actuators.
  • the layer thickness is preferably 1 ⁇ m or 4 ⁇ m. Larger layer thicknesses are also possible. The procedure described can be carried out for all layer thicknesses.
  • the thickness of the dielectric layer is preferably in the range of less than 500 nm, for example for applications other than actuators.
  • An example of this is an application of high-k dielectrics, eg as memory.
  • the memory can be resistive random access memory, ReRAM, or ferroelectric random access memory, FeRAM.
  • thicknesses of 15 nm - 200 nm make sense.
  • high-k dielectrics with layers e.g. as gate oxides
  • layers e.g. as gate oxides
  • HfO2 or SiO2 with a layer thickness of less than or equal to 50 nm can be provided as the dielectric layer 106, for example.
  • the control device can be designed to regulate a desired value for the first voltage U1.
  • This target value is, for example, in a range from 1 volt to 80 volts and is preferably 1 volt, 2 volts or 5 volts or 10 volts or 20 volts or 40 or 80 volts. .
  • the control device can be designed to regulate a desired value for the second voltage U2.
  • This target value is, for example, in a range from 1 volt to 80 volts and is preferably 1 volt, 2 volts or 5 volts or 10 volts or 20 volts or 40 or 80 volts. .
  • a voltage measuring device can be provided, which is designed to record the voltage between the first electrode 102 and the second electrode 104 .
  • the control device is designed to reduce a control deviation, which is determined as a function of a difference between this detected voltage and the desired value.
  • the device 200 optionally comprises a measuring device 208.
  • the measuring device 208 is designed to measure the current flowing through the first electrode 102 and the second electrode 104.
  • the measuring device 208 is arranged in the first conductor 204 in the example. A corresponding arrangement at a different point is also possible.
  • the measuring device 208 is connected to the regulating and/or control device 202 via a signal line 210 in order to transmit the measured current.
  • the leakage current is strongly dependent on temperature.
  • the measuring device 208 includes a device for determining a current temperature T .
  • a temperature measurement is carried out on the semiconductor component 100 or in its immediate vicinity.
  • the limit value G at the temperature T is determined as a function of a reference limit value G0 at a reference temperature T0 according to the following exponential relationship: k is a constant here. The constant describes an effective barrier height at that point in time.
  • the device 200 comprises a voltage and/or current source 212 for outputting the voltages.
  • the device 200 comprises a computing device 214, in particular a microprocessor, which is designed to carry out the methods described below.
  • the device 200 comprises a memory 216 which is designed to store limit values or a characteristic curve from which limit values can be determined.
  • the device 200 comprises an output device 218 which is designed to output an output 220 .
  • a memory, actuator, MEMS, micro-mirror, print head, or speaker may include this device for monitoring the semiconductor device 100 and the semiconductor device 100 . Provision can be made for carrying out lifetime monitoring for the memory, actuator, MEMS, micromirror, printhead or loudspeaker, in which case the semiconductor component 100 is monitored.
  • a leakage current I which flows through the first electrode 102 and the second electrode 104 of the semiconductor component 100, is detected during operation of the semiconductor component 100.
  • the leakage current I is compared to a first limit value, e.g. In step 1604, depending on a result of the comparison, the output 220 is determined. Provision can be made for the first limit value to be determined from a large number of limit values, which the leakage current I exceeds or falls below.
  • a voltage and/or temperature dependency of the leakage current I can be taken into account.
  • the limit value is determined depending on the reference limit value G0 and the reference temperature T0, in particular with the exponential relationship described above.
  • a point in time can be determined at which an extreme point, in particular a maximum, of the leakage current I occurs.
  • the output 220 may be determined based on time.
  • the output 220 includes a state of the semiconductor device 100.
  • the output 220 may include this residual value.
  • the output 220 may include this residual value.
  • a text is determined that includes the state of the semiconductor component 100 and an indication of a remaining service life, for example the residual value.
  • the residual value is a period of time for which the semiconductor component 100, starting from the point in time at which the leakage current I is detected, can still be operated with the first voltage U1 until the point in time occurs at which the service life of the semiconductor component 100 ends.
  • the length of time is calculated, for example, starting from the point in time at which the leakage current I is detected using the previously described relationship for the movement of defects under the influence of the first voltage U1 up to the point in time for the end of the service life that makes sense for the respective application.
  • a control signal that specifies an operating mode for the semiconductor device 100 is determined.
  • the output 220 is output.
  • the text is sent in a message or output at a man-machine interface.
  • control signal is output to drive the semiconductor device 100 or a device comprising the semiconductor device 100 to operate in the operating mode.
  • Step 1600 is then carried out, in particular with the operating mode specified for this.
  • the method may be terminated for any of the reasons described below.
  • the leakage current I is detected when the semiconductor component 100 is operated in the first operating mode and the operation of the semiconductor component 100 is continued in step 1602 in the first operating mode if the leakage current I exceeds the first limit value or if the residual value of the service life is greater as a first threshold.
  • a second limit value is then determined from the plurality of limit values and the operation of the semiconductor component 100 is either continued in a second operating mode or the operation is ended if the leakage current I exceeds the second limit value.
  • Various measures are thus taken as the leakage current level increases.
  • the operation of the semiconductor component 100 is either continued in a second operating mode or is terminated. Operation can be continued in the second operating mode if the residual value of the service life is less than a second threshold value. The operation can be terminated when the residual value of the lifetime is greater than the second threshold.
  • Various measures can be taken as the residual value decreases.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterbauelements (100), wobei in einem Betrieb des Halbleiterbauelements (100) ein Leckstrom erfasst wird, der durch eine erste Elektrode (102) und eine zweite Elektrode (104) des Halbleiterbauelements (100) fliest, wobei der Leckstrom in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert für den Leckstrom verglichen wird und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs eine Ausgabe bestimmt wird und/oder wobei ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms auftritt und abhängig vom Zeitpunkt eine Ausgabe bestimmt wird, wobei die Ausgabe einen Zustand des Halbleiterbauelements (100) umfasst, und die Ausgabe ausgegeben wird.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterbauelements
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterbauelements. Dielektrischer Durchbruch ist bei Halbleiterbauelementen bestehend aus mindestens zwei Elektroden und mindestens einer zwischenliegenden dielektrischen Schicht, die unter Anlegen einer elektrischen Spannung betrieben werden immer ein relevanter Faktor bezüglich deren Lebenszeit. Ein weiterer eine Lebenszeit des Halbleiterbauelements limitierender Faktor ist die Entwicklung hoher Leckströme oder der Abfall der Performance durch Zerstörung aktiver Fläche des Bauelements.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Vorrichtung und das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen, können Halbleiterbauelemente mit dielektrischen Schichten im Betrieb überwacht und nicht nur deren Defekt festgestellt werden, sondern zudem eine Vorhersage der verbleibenden Lebenszeit „Remaining Useful Life“ getroffen werden. Zusätzlich zu einer Kinetik bis zu einem dielektrischen Durchbruch werden dazu Rückschlüsse zu einem auf den dielektrischen Durchbruch nachfolgenden Degradationsablauf ermöglicht. Damit wird eine Lebenszeitüberwachung realisiert, die anhand eines Leckstromlevels und/oder eines ersten Durchbruchs „first peak“ und/oder einer Performance des Halbeiterbauelements, hier einer Polarisation, eine Leckstromentwicklung sowie eine Entwicklung der Performance einschließt. Das Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterbauelements sieht vor, dass in einem Betrieb des Halbleiterbauelements ein Leckstrom erfasst wird, der durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode des Halbleiterbauelements fliest, wobei der Leckstrom in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert für den Leckstrom verglichen wird und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs eine Ausgabe bestimmt wird und/oder wobei ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms auftritt und abhängig vom Zeitpunkt eine Ausgabe bestimmt wird, wobei die Ausgabe einen Zustand des Halbleiterbauelements umfasst, und die Ausgabe ausgegeben wird. Dies ermöglicht es, einen inneren Zustand des Halbleiterbauelements für ein lifetime monitoring zugänglich zu machen.
Es kann vorgesehen sein, dass aus einer Vielzahl Grenzwerte der erste Grenzwert bestimmt wird, den der Leckstrom überschreitet oder unterschreitet, wobei ein Restwert einer Lebensdauer des Halbleiterbauelements abhängig vom ersten Grenzwert bestimmt wird, wobei die Ausgabe den Restwert umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass abhängig vom Zeitpunkt, zu dem der Extremalpunkt, insbesondere das Maximum, des Leckstroms auftritt, ein Restwert einer Lebensdauer des Halbleiterbauelements bestimmt wird, wobei die Ausgabe den Restwert umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass der Leckstrom in einem Betrieb des Halbleiterbauelements in einem ersten Betriebsmodus erfasst wird, wobei der Betrieb des Halbleiterbauelements im ersten Betriebsmodus fortgesetzt wird, wenn der Leckstrom den ersten Grenzwert überschreitet oder wenn der Restwert der Lebensdauer größer als ein erster Schwellwert ist.
Es kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Grenzwert aus der Vielzahl der Grenzwerte bestimmt wird, wobei der Betrieb des Halbleiterbauelements in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt wird oder der Betrieb beendet wird, wenn der Leckstrom den zweiten Grenzwert überschreitet oder dass der Betrieb des Halbleiterbauelements in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt wird oder der Betrieb beendet wird, wenn der Restwert der Lebensdauer größer als ein zweiter Schwellwert ist. Es kann vorgesehen sein, dass ein Referenzgrenzwert und eine Referenztemperatur vorgegeben werden, eine aktuelle Temperatur des Halbleiterbauelements oder einer Umgebung des Halbleiterbauelements bestimmt wird, ein Faktor abhängig von der aktuellen Temperatur und der Referenztemperatur bestimmt wird, der Referenzgrenzwert mit dem Faktor skaliert wird und der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert abhängig von dem mit dem Faktor skalierten Referenzgrenzwert bestimmt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Text bestimmt wird, der den Zustand des Halbleiterbauelements und eine Angabe über eine noch verbleibende Lebensdauer umfasst, wobei der Text in einer Nachricht versendet oder an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgegeben wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Steuersignal bestimmt wird, das einen Betriebsmodus für das Halbleiterbauelement vorgibt, wobei das Steuersignal ausgeben wird, um das Halbleiterbauelement oder ein Gerät, das das Halbleiterbauelement umfasst, zum Betrieb in dem Betriebsmodus ansteuert.
Die Vorrichtung zum Überwachen des Halbleiterbauelements umfasst eine Messeinrichtung, eine Recheneinrichtung und eine Ausgabeeinrichtung, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, in einem Betrieb des Halbleiterbauelements ein Leckstrom zu erfassen, der durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode des Halbleiterbauelements fliest, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist, den Leckstrom in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert für den Leckstrom zu vergleichen und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs eine Ausgabe zu bestimmen und/oder wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms auftritt und abhängig vom Zeitpunkt eine Ausgabe zu bestimmen, wobei die Ausgabe einen Zustand des Halbleiterbauelements umfasst, und wobei die Ausgabeeinrichtung ausgebildet ist, die Ausgabe auszugegeben.
Die Erfindung betrifft auch ein Micro-Electro-Mechanical System, MEMS, einen Speicher, einen Aktuator, einen Mikrospiegel, einen Druckkopf oder einen Lautsprecher der diese Vorrichtung zum Überwachen eines Halbleiterbauelements und das Halbleiterbauelement umfasst Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements, Fig. 2 einen ersten Zustand für eine erste Verteilung von Defekten, Fig. 3 einen zweiten Zustand für die erste Verteilung von Defekten, Fig. 4 einen dritten Zustand für die erste Verteilung von Defekten, Fig. 5 einen vierten Zustand für die erste Verteilung von Defekten, Fig. 6 einen fünften Zustand für die erste Verteilung von Defekten,
Fig. 7 einen ersten Verlauf eines Leckstrom levels gemäß der ersten Verteilung, Fig. 8 einen zweiten Verlauf eines Leckstromlevels gemäß der ersten Verteilung, Fig. 9 einen ersten Zustand für eine zweite Verteilung von Defekten, Fig. 10 einen zweiten Zustand für die zweite Verteilung von Defekten, Fig. 11 einen dritten Zustand für die zweite Verteilung von Defekten, Fig. 12 einen vierten Zustand für die zweite Verteilung von Defekten, Fig. 13 einen fünften Zustand für die zweite Verteilung von Defekten,
Fig. 14 einen Verlauf eines Leckstromlevels gemäß der zweiten Verteilung,
Fig. 15 eine Vorrichtung zur Überwachung des Halbleiterbauelements, Fig. 16 ein Verfahren zur Überwachung des Halbleiterbauelements.
Die folgende Beschreibung nutzt Kenntnisse eines Versagensmechanismus in dielektrischen Schichten aus, um im laufenden Betrieb eines Halbleiterbauelements, das eine dielektrische Schicht oder mehrere dielektrische Schichten umfasst, aus messbaren Veränderungen eine Vorhersage zu einer verbleibenden Lebensdauer abzuleiten. Diese kann in sicherheitsrelevanten Anwendungen dazu verwendet werden, individuelle, nutzungsspezifische Wartungsanweisungen oder Warnungen auszugeben.
Herkömmliche Lebenszeitangaben, Wartungsintervalle oder aktive Überwachungen von Bauteilen sind darauf ausgelegt kritische Fehler durch frühzeitigen Austausch zu verhindern oder einen Fehler anzuzeigen, wenn es bereits zu spät ist und ein Ausfall des Bauteils vorliegt. Die festgelegten Wartungs-/Tausch-Intervalle sind dabei statistisch ermittelt und spiegeln oftmals sehr konservative Grenzen für die Gesamtheit aller Teile unter einem angenommenen mittleren Belastungsprofil wieder. Belastungsprofile sind dabei entscheidend können jedoch nur geschätzt werden.
Demgegenüber wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass in derartigen Halbleiterbauelementen ein deterministischer bzw. vorhersehbarer Degradationsverlauf vorliegt, bei dem ein kontinuierliches Versagen bzw. ein graduelles Verhalten beobachtet werden kann. Mittels dieser Kenntnis über das Verhalten kann das Bauteil spezifisch überwacht werden. Bei festgelegten Grenzwerten kann eine Warnung bzw. ein kontrollierter Tausch geplant werden. Wartung und Austausch können dadurch Bauteilspezifisch und abhängig von einem tatsächlichen Belastungsprofil ermittelt werden. Dies stellt einen Vorteil für einen Kunden dar, der ein Bauteil erst dann tauscht, wenn es tatsächlich notwendig ist.
Das graduelle Verhalten kann beispielsweise ein gradueller Leckstromanstieg oder gradueller Leistungs-/Performanceabfall sein.
In Halbleiterbauelementen mit einer dielektrischen Schicht, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, kann ein Leckstrom auftreten. Ein Leckstromverlauf ändert sich z.B. durch Anlagerung von Defekten an einer Grenzschicht zwischen einem Dielektrikum der dielektrischen Schicht und einer der Elektroden. Defekte, die sich an der Grenzschicht anlagern haben einen Einfluss auf eine Barrierenhöhe. In Kenntnis einer initialen Barrierehöhen und der Parameter, die einen raumladungslimitierten Stromanteil, Space-Charge-Limited-Current, beschreiben, ist ein zeitlicher Verlauf des Leckstroms abbildbar. Es ist zudem möglich den Leckstromverlauf vor und nach einem ersten dielektrischen Durchbruch zu beschreiben. Aufgrund eines Zusammenhangs zwischen Leckstromdegradation und Performancedegradation ist es zudem möglich einen Performanceverlust zu beschreiben.
In einem Aspekt wird der Leckstrom überwacht. In einem Aspekt wird eine Performance des Halbleiterbauteils überwacht.
Es kann vorgesehen sein, in einer Überwachung ein Leckstromlevel zu bewerten und einen ersten Grenzwert zu definieren nach dem eine Warnung generiert wird und die Lebenszeit noch einen gewünschten Restwert besitzt. Es kann vorgesehen sein, in der Überwachung einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein erster Durchbruch, first peak, aufgetreten ist und eine Warnung inklusive Schätzung einer Restlebenszeit auszugeben, die sich aus der Entwicklung des Leckstromlevels oder des Performanceverlusts insbesondere abhängig von definierten produktspezifischen Grenzwerten ergibt.
Weil auch nach Erreichen des ersten Grenzwertes das Belastungsprofil eine hohe Rolle spielt, können mehrere Grenzwerte definiert werden und die aktive Überwachung fortgesetzt werden.
Figur 1 stellt eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements 100 dar. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst eine erste Elektrode 102, eine zweite Elektrode 104 und eine dielektrische Schicht 106.
Die dielektrische Schicht 106 ist zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 104 angeordnet. Im Beispiel sind die erste Elektrode 102 und die zweite Elektrode 104 auf einander entgegengesetzten Seiten der dielektrischen Schicht 106 angeordnet.
In der dielektrischen Schicht 106 liegen im Beispiel Defekte D1 einer ersten Defektart, Defekte D2 einer zweiten Defektart und Defekte D3 einer dritten Defektart vor. Es können auch nur Defekte D1 der ersten Defektart oder nur Defekte zweier verschiedener Defektarten vorliegen. Es können auch Defekte von mehr als drei Defektarten vorliegen. Diese Defekte sind im Beispiel in einer Ausgangsposition angeordnet. Die Ausgangsposition ist im Beispiel durch einen Herstellungsprozess der dielektrischen Schicht definiert. Die Defekte sind im Beispiel in unterschiedlichen Abständen zur ersten Elektrode 102 bzw. zur zweiten Elektrode 104 angeordnet.
Bei den Defekten handelt es sich um geladene Defekte, die sich bei einem angelegten Potential zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 104 entsprechend ihrer Ladung zu einer jeweiligen Grenzschicht zwischen dielektrischer Schicht 106 und entweder erster Elektrode 102 oder zweiter Elektrode 104 bewegen. Die Grenzschicht wird im Folgenden als „Interface“ bezeichnet. Dieser Transport der geladenen Defekte wird dabei durch Defekteigenschaften und einem „Hopping Mechanismus“ bestimmt.
Hopping-Mechanismus bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Verlagerung, d.h. ein Hopping, der Defekte in einem durch die jeweilige angelegte Spannung U in der dielektrischen Schicht 106 der Dicke d wirkenden elektrischen Feld E stattfindet. Die Defekte einer Defektart i bewegen sich entlang lokalisierter Defektzustände mit einem mittleren effektiven Abstand ai. Dies führt zu einer Geschwindigkeit vi der Bewegung der Defekte der Defektart i. Die Geschwindigkeit vi wird über den bekannten Ansatz von Variable Range Hopping beschrieben:
Hierbei repräsentiert C0, i(ai) eine Funktion, die einen Einfluss einer örtlichen Defektverteilung auf eine in der dielektrischen Schicht 106 charakteristische Geschwindigkeit vi der Defekte i darstellt. Diese Defektverteilung stellt eine Eigenschaft der dielektrischen Schicht 106 dar. Diese Eigenschaft bestimmt die Bewegung der Defekte der Defektart i in der dielektrischen Schicht 106 mit. Die Parameter Abklinglänge a, mittlerer effektiver Abstand ai, Aktivierungsenergie EA, 0,i, elektrische Ladung Nq, i der Defekte der Defektart i sind physikalische Eigenschaften. Mit kB ist die Boltzmannkonstante bezeichnet. Mit T ist die Temperatur der Umgebung des betrachteten Defekts insbesondere die Temperatur in der dielektrischen Schicht 106 bezeichnet.
Bis zu einem dielektrischen Versagen kann ein zeitlicher Verlauf einer Leckstromdichte JTED , über die Gleichung der Thermionic-Emission-Diffusion Theorie nach Crowell and Sze bestimmt werden:
Hierbei repräsentiert q die Einheitsladung, Nc die effektive Zustandsdichte im Leitungsband, vR die effektive
Rekombinationsgeschwindigkeit, vD die effektive Diffusionsgeschwindigkeit, die effektive Schottky-Barriere, kB die Boltzmannkonstante, T die Temperatur der Umgebung und U Spannung über die dielektrische Schicht 106.
Defekte i mit positiver Ladung wandern zur Elektrode mit negativem Potential und lagern sich am Interface an. Defekte i mit negativer Ladung bewegen sich zur Elektrode mit positivem Potential, und lagern sich am Interface an. Dadurch ändert sich die effektive Schottky-Barriere
Eine Barrierenhöhenänderung ΔΦί, welche durch Defekte i erzeugt werden, ist gekennzeichnet durch ihre Maximalhöhe δΦ i und eine charkteristische Zeitkonstante τi. Die charkteristische Zeitkonstante τi definiert eine Zeitdauer, in der sich die Barrierenhöhenänderung ΔΦi über der Zeit t am stärksten verändert:
Die Maximalhöhe δΦi ist eine Funktion einer Anzahl Zi von Defekten i und hängt von einer Art des Interface ab. Mit dem Term wird die zeitabhängige
Anlagerung einer statistische Verteilung der Defekte i im Material beschrieben insbesondere derZeitpunkt der Anlagerung der jeweiligen Ausgangsposition. Die Ausgangsposition stellt im Beispiel einen Schwerpunkt der Verteilung dar. Sofern es mehrere Häufungen für die Defekte der Defektart i gibt, kann eine der Häufungen ausgewählt werden, die statt des Schwerpunkts die Ausgangsposition definiert. Vorzugsweise wird die Häufung ausgewählt, die den größten Einfluss auf die Erhöhung der Lebenszeit aufweist.
In der dielektrischen Schicht 106 können Defekte verschiedener Defektarten vorliegen. Es können Defekte existieren, die aufgrund ihrer Ladung eine die effektive Schottky-Barriere erhöhende Barrierenhöhenänderung ΔΦί verursachen. Dadurch sinkt das Leckstrom level ab. In diesem Kontext werden diese beispielhaft als „restaurierende“ Defekte bezeichnet. Es können Defekte existieren, die aufgrund ihrer Ladung eine die effektive Schottky-Barriere verringernde Barrierenhöhenänderung ΔΦί verursachen. Dadurch steigt das Leckstromlevel an. In diesem Kontext werden diese beispielhaft als „degradierende“ Defekte bezeichnet.
Bei Anlegen einer Spannung werden die Defekte bewegt. Die Aktivierungsenergie und Ladung können dazu führen, dass bestimmte Defekte sehr viel schneller sind.
Eine Anfangsposition von Defekten i ist im Beispiel durch einen Abstand di des Schwerpunktes ihrer Verteilung zum Interface definiert, dem die Defekte i im bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterbauteils 100 zustreben.
Die Zeitkonstante τi kann für die Bewegung unter dem Einfluss einer ersten Spannung U1 anders sein, als für die Bewegung unter dem Einfluss einer zweiten Spannung U2. Die Zeitkonstante τi kann durch eine Beweglichkeit der Defekte i unter einem Einfluss des elektrischen Feldes E in der dielektrischen Schicht 106 und durch den bis zum Erreichen des jeweiligen Interface zurückzulegenden Weg in der dielektrischen Schicht 106 definiert werden. Bei der Verlagerung im Inneren der dielektrischen Schicht 106 muss Defektart i den Abstand di des Schwerpunktes seiner Verteilung zum Interface zurücklegen. Zusammen mit der Geschwindigkeit vi resultiert die charakteristische Zeitkonstante τi für den Anlagerungsprozess der Defekte i in
Aus einer Messung des Leckstroms über Zeit und Auswertung des zeitabhängigen Verlaufs mittels der Gleichungen der Thermionic-Emission- Diffusion Theorie nach Crowell und Sze und dem zeitabhängigen Verhalten der Barrierenhöhenänderung ist die Zeitkonstante τi bestimmbar. Mittels mehrerer Messungen von τi unter verschiedenen Temperaturen T und Spannungen U, kann die Aktivierungsenergie EA, 0,i und die elektrische Ladung Nq, i der Defekte der Defektart i bestimmt werden.
Unter Anlegen der ersten elektrischen Spannung U1 mit einer ersten Polarität bewegen sich die geladene Defekte in einer ersten Richtung zur ersten Elektrode 102. Unter Anlegen der zweiten elektrischen Spannung U2 mit einer der ersten elektrischen Spannung U1 entgegengesetzten Polarität, bewegen sich diese geladenen Defekte in einer zweiten Richtung hin zur zweiten Elektrode 102.
Geladene Defekte, die das Interface an der ersten Elektrode 102 oder der zweiten Elektrode 104 erreichen, lagern sich am Interface an.
Das Halbleiterbauelement 100 kann mehr als zwei Elektroden aufweisen. Das Halbleiterbauelement 100 kann mehr als eine zwischen jeweils zwei Elektroden liegende dielektrische Schicht aufweisen.
Bei derartigen Halbleiterbauelementen ist ein dielektrischer Durchbruch möglich, wenn diese unter Anlegen einer elektrischen Spannung betrieben werden. Wenn ein dielektrischer Durchbruch auftritt, wird das Interface teilweise oder vollständig zerstört. Wenn ein dielektrischer Durchbruch auftritt, wird eine Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 verkürzt. Der dielektrische Durchbruch tritt beispielsweise auf, wenn eine Anzahl von geladenen Defekten, die sich am Interface anlagern, den spannungsabhängigen Schwellwert überschreitet.
Durch eine Optimierung von Prozessbedingungen und/oder einer Prozessführung bei einer Herstellung der dielektrischen Schicht 106 können physikalische Eigenschaften und herstellungsspezifische Einflüsse auf diese physikalischen Eigenschaften beeinflusst werden. Dadurch kann die Lebensdauer verlängert werden.
Durch die Prozessbedingungen und/oder die Prozessführung wird beispielsweise ein Wachstum, Wachstumsbedingungen, eine Materialkomposition beeinflusst.
Durch die Prozessbedingungen und/oder die Prozessführung entsteht beispielsweise eine gewollte oder ungewollte Dotierung und/oder Verunreinigung während des Wachstumsprozesses oder in Folgeprozessen.
In Figur 2 ist ein erster Zustand für eine erste Verteilung p der Defekte über einen Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der erste Zustand ein Anfangszustand. Eine Verteilung der Defekte D1 der ersten Defektart ist in Figur 2 und den folgenden Figuren mit einem Dreiecksymbol bezeichnet. Eine Verteilung der Defekte D2 der zweiten Defektart ist in Figur 2 und den folgenden Figuren mit einem Sternsymbol bezeichnet. Eine Verteilung der Defekte D3 der dritten Defektart ist in Figur 2 und den folgenden Figuren mit einem Diamantsymbol bezeichnet.
In Figur 3 ist ein zweiter Zustand für die erste Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der zweite Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den Anfangszustand folgender Betriebszustand vor einem ersten Durchbruch, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern.
In Figur 4 ist ein dritter Zustand für die erste Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der dritte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den zweiten Zustand folgender Betriebszustand vor einem ersten Durchbruch, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern. In dieser Situation ist es im Beispiel noch möglich, eine Lebensdauer des Halbleiterbauelements durch Maßnahmen, die die Defekte vom Interface wegbewegen, zu verlängern.
In Figur 5 ist ein vierter Zustand für die erste Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der vierte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf dritten Zustand folgender Betriebszustand vor einem ersten Durchbruch, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern und Defekte D1 der ersten Defektart das Interface erreichen. In dieser Situation ist es im Beispiel noch möglich, vor einem Performanceverlust eine Warnung auszugeben.
In Figur 6 ist ein fünfter Zustand für die erste Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der fünfte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den vierten Zustand folgender Betriebszustand in dem sich Defekte D1 der ersten Defektart, Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern und ein Performanceverlust eintritt. In Figur 7 ist ein Verlauf eines Leckstromlevel I über der Zeit t zur Früherkennung einer Restlebenszeit dargestellt. In dem in Figur 7 dargestellten Beispiel tritt der Performanceverlust ausgehend vom Anfangszustand nach ca. 106 Sekunden des Betriebs mit der ersten Spannung U1 auf.
In Figur 7 sind beispielhaft die Leckstromlevel I für die in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Zustände gekennzeichnet. Der erste Zustand ist mit 0 gekennzeichnet, der zweite Zustand ist mit 1 gekennzeichnet, der dritte Zustand ist mit 2 gekennzeichnet, der vierte Zustand ist mit 3 gekennzeichnet und der fünfte Zustand ist mit 4 gekennzeichnet.
Für eine Früherkennung der Restlebenszeit ist ein beispielhaftes Leckstromlevel 700 vorgesehen, bei dessen erreichen z.B. eine Warnung ausgegeben wird.
In Figur 8 ist ein Verlauf eines Leckstromlevel I über der Zeit t zur Einleitung einer elektrischen Belastung mit der zweiten Spannung U2 für eine Umkehr der Defektanalagerung dargestellt. In dem in Figur 8 dargestellten Beispiel tritt der Performanceverlust ausgehend vom Anfangszustand nach ca. 106 Sekunden des Betriebs mit der ersten Spannung U1 auf.
In Figur 8 sind beispielhaft die Leckstromlevel I für die in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Zustände gekennzeichnet. Der erste Zustand ist mit 0 gekennzeichnet, der zweite Zustand ist mit 1 gekennzeichnet, der dritte Zustand ist mit 2 gekennzeichnet, der vierte Zustand ist mit 3 gekennzeichnet und der fünfte Zustand ist mit 4 gekennzeichnet.
Für die elektrischen Belastung mit der zweiten Spannung U2 für die Umkehr der Defektanalagerung ist ein beispielhaftes Leckstromlevel 800 vorgesehen, bei dessen erreichen diese gestartet wird.
In Figur 9 ist eine erster Zustand für eine zweite Verteilung p der Defekte über einen Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der erste Zustand ein Anfangszustand. Eine Verteilung der Defekte D1 der ersten Defektart ist in Figur 9 und den folgenden Figuren mit einem Dreiecksymbol bezeichnet. Eine Verteilung der Defekte D2 der zweiten Defektart ist in Figur 9 und den folgenden Figuren mit einem Sternsymbol bezeichnet. Eine Verteilung der Defekte D3 der dritten Defektart ist in Figur 9 und den folgenden Figuren mit einem Diamantsymbol bezeichnet.
In Figur 10 ist ein zweiter Zustand für die zweite Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der zweite Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den Anfangszustand folgender Betriebszustand vor einem ersten Durchbruch, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern.
In Figur 11 ist eine dritter Zustand für die zweite Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der dritte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den zweiten Zustand folgender Betriebszustand bei einem frühen Zeitpunkt des Performanceverlusts, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern. In dieser Situation ist es im Beispiel möglich, eine frühzeitige Warnung auszulösen, aufgrund der eine Wartung des Halbleiterbauelements 100 durchgeführt wird. Der Grenzwert für die frühzeitige Warnung ist beispielweise so gewählt, dass die Warnung ausgelöst wird, wenn ausgehend vom Anfangszustand ca. 10 % der Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 vergangen sind. Der Performance-Verlust tritt im Beispiel zu diesem Zeitpunkt noch nicht merklich ein, da jeder Einzeldurchbruch in der Regel nur eine sehr kleine Fläche zerstört. Dies ist zwar im Strom detektierbar aber bezüglich einer Funktion eines Produkts, z.B. eines A ktorik- Produkts, das das Hableiterbauelement 100 umfasst nicht bemerkbar.
In Figur 12 ist ein vierter Zustand für die zweite Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der vierte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den dritten Zustand folgender Betriebszustand vor einem ersten Durchbruch, in dem sich bereits Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern und Defekte D1 der ersten Defektart das Interface erreichen. In dieser Situation ist es im Beispiel möglich, eine kritische Warnung auszulösen, aufgrund der eine Wartung des Halbleiterbauelements 100 durchgeführt wird. Der Grenzwert für die frühzeitige Warnung ist beispielweise so gewählt, dass die Warnung ausgelöst wird, wenn ausgehend vom Anfangszustand ca. 50 % der Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 vergangen sind. Im Beispiel haben in diesem Zustand bereits mehrere lokale Durchbrüche stattgefunden. Das Leckstrom level ist dann deutlich höher und detektierbar. Die gesamte, durch viele lokale Durchbrüche, zerstörte Fläche ist jetzt im %-Bereich der Funktion des Produkts merkbar. Daher wird beispielsweise die Warnung ausgegeben. Das Halbleiterbauelement 100 oder das Produkt ist in diesem Zustand im Beispiel noch deutlich vor einem Ausfall.
In Figur 13 ist ein fünfter Zustand für die zweite Verteilung ρ der Defekte über den Abstand x von der zweiten Elektrode 104 dargestellt. Im Beispiel ist der fünfte Zustand ein im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 mit der ersten Spannung U1 auf den vierten Zustand folgender Betriebszustand in dem sich Defekte D1 der ersten Defektart, Defekte D2 der zweiten Defektart und Defekte D3 der dritten Defektart am Interface der ersten Elektrode 102 anlagern und ein massiver Performanceverlust eintritt. Dies ist im Beispiel der Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 endet.
Das Ende der Lebensdauer bezieht sich dabei auf die Zeit, zu der das Halbleiterbauelement 100 nicht mehr bestimmungsgemäß verwendbar ist. Diese Grenze kann für unterschiedliche Anwendungen verschieden sein.
In Figur 14 ist ein Verlauf eines Leckstromlevel I über der Zeit t dargestellt. In dem in Figur 14 dargestellten Beispiel nimmt der Performanceverlust ausgehend vom Anfangszustand zu und erreicht nach ca. 9*104 Sekunden des Betriebs mit der ersten Spannung U1 das Ende der Lebensdauer. Das Ende der Lebensdauer hängt vom Material und den Bedingungen ab. Das Ende der Lebensdauer ist im Beispiel später als der vierte Zustand, ein Performance-Verlust kann jedoch auch nach Erreichen des fünften Zustands noch gering sein.
In Figur 14 sind beispielhaft die Leckstromlevel I für die in den Figuren 9 bis 13 beschriebenen Zustände gekennzeichnet. Der erste Zustand ist mit 0 gekennzeichnet, der zweite Zustand ist mit 1 gekennzeichnet, der dritte Zustand ist mit 2 gekennzeichnet, der vierte Zustand ist mit 3 gekennzeichnet und der fünfte Zustand ist mit 4 gekennzeichnet.
Für eine kritische Warnung ist ein beispielhaftes Leckstrom level 1400 vorgesehen, bei dessen erreichen z.B. die kritische Warnung ausgegeben wird.
In Figur 15 ist eine Vorrichtung 200 zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100 gemäß der ersten Ausführung schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung 200 umfasst eine Regel- und/oder Steuereinrichtung 202, die ausgebildet ist, Schritte in einem im Folgenden beschriebenen Verfahren zur Überwachung des Halbleiterbauelements 100 auszuführen. Die Vorrichtung 200 ist über einen ersten Leiter 204 mit der ersten Elektrode 102 des Halbleiterbauelements 100 zumindest zeitweise verbindbar. Die Vorrichtung 200 ist über einen zweiten Leiter 206 mit der zweiten Elektrode 104 des Halbleiterbauelements 100 zumindest zeitweise verbindbar.
Die Regel- und/oder Steuereinrichtung 202 ist im Beispiel ausgebildet, eine erste Spannung U1 mit einer ersten Polarität auszugeben. Die erste Spannung U1 liegt im Beispiel zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 104 an, wenn diese mit dem jeweiligen Leiter mit der Vorrichtung 200 verbunden sind und die Regel- und/oder Steuereinrichtung 202 die erste Spannung U1 ausgibt.
Die Regel- und/oder Steuereinrichtung 202 ist optional ausgebildet, eine zweite Spannung U2 mit einer der ersten Polarität entgegengesetzter Polarität auszugeben. Die zweite Spannung U2 liegt im Beispiel zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 104 an, wenn diese mit dem jeweiligen Leiter mit der Vorrichtung 200 verbunden sind und die Regel- und/oder Steuereinrichtung 202 die zweite Spannung U2 ausgibt.
Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, eine Wechselspannung oder einen im Wesentlichen konstanten Wert für die erste Spannung U1 und/oder die zweite Spannung U2 auszugeben. Dieser Wert liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 Volt bis 80 Volt und beträgt vorzugsweise 1 Volt, 2 Volt oder 5 Volt oder 10 Volt oder 20 Volt oder 40 oder 80 Volt. Bevorzugt ist die dielektrische Schicht 106 als polykristallines oxidisches high-k Dielektrika ausgebildet.
Die dielektrische Schicht 106 ist insbesondere als PZT-Schicht ausgebildet. PZT bezeichnet hierbei Pb(ZrxTi1-x)O3.
Die dielektrische Schicht 106 ist insbesondere als KNN-Schicht ausgebildet. KNN bezeichnet hierbei (KxNa1-x)NbO3.
Die dielektrische Schicht 106 kann insbesondere als HfO2-, HfZrO2-, ZrO2-, BaTiO3-, SrTiO3- oder (BaxSr1-x)TiO3-Schicht ausgebildet sein.
Bevorzugt ist die dielektrische Schicht 106 dotiert. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht 106 eine PZT-Schicht, die mit Nickel-Dotiert ist:
Pb(ZrxTi1-x)O3Niy.
Sowohl die PZT-Schicht als auch die KNN-Schicht kann andere Dotierungen als Nickel aufweisen, beispielsweise Nb, La, Mn, Mg.
Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht als gesputterte PZT-Schicht ausgebildet. Hierbei wird das sogenannte Target-Material in einem Plasma auf einem Substrat abgeschieden. Als Target-Material wird beispielsweise PZT verwendet. Bevorzugt weist die gesputterte PZT-Schicht in diesem Zusammenhang eine Abscheidetemperatur von kleiner als 500°C auf.
Bevorzugt ist die Dicke der dielektrischen Schicht im Bereich 500 nm bis 4 μm. Das ist ein für Aktorik sinnvolle Bereich. Vorzugsweise ist die Schichtdicke 1 μm, oder 4 μm. Größere Schichtdicken sind ebenfalls möglich. Das beschriebene Vorgehen ist für alle Schichtdicken ausführbar.
Geringere Schichtdicken sind ebenfalls möglich. Bevorzugt ist die Dicke der dielektrischen Schicht im Bereich kleiner 500 nm beispielweise für Anwendungen abseits der Aktorik. Ein Beispiel dafür ist eine Anwendung von high-k Dielektrika, z.B. als Speicher. Der Speicher kann ein resistive Random Access Memory, ReRAM, oder ein ferroelectric Random Access Memory, FeRAM, sein. Für diese anderen Anwendungen sind je nach Anwendung Dicken von 15 nm - 200 nm sinnvoll.
Zusätzlich sind sehr dünne high-k Dielektrika mit Schichten z.B. als Gate-Oxide in sehr vielen Anwendungen einsetzbar. Als dielektrische Schicht 106 kann z.B. HfO2 oder SiO2 mit einer Schichtdicke kleiner oder gleich 50nm vorgesehen sein.
Die Regeleinrichtung kann ausgebildet sein, einen Sollwert für die erste Spannung U1 einzuregeln. Dieser Sollwert liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 Volt bis 80 Volt und beträgt vorzugsweise 1 Volt, 2 Volt oder 5 Volt oder 10 Volt oder 20 Volt oder 40 oder 80 Volt. .
Die Regeleinrichtung kann ausgebildet sein, einen Sollwert für die zweite Spannung U2 einzuregeln. Dieser Sollwert liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 Volt bis 80 Volt und beträgt vorzugsweise 1 Volt, 2 Volt oder 5 Volt oder 10 Volt oder 20 Volt oder 40 oder 80 Volt. .
In diesem Fall kann eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, die Spannung zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 104 zu erfassen. Die Regeleinrichtung ist in diesem Fall ausgebildet, eine Regelabweichung zu reduzieren, die abhängig von einer Differenz dieser erfassten Spannung zum Sollwert bestimmt wird.
Die Vorrichtung 200 umfasst im Beispiel optional eine Messeinrichtung 208. Die Messeinrichtung 208 ist im Beispiel ausgebildet, den Strom der durch die erste Elektrode 102 und die zweite Elektrode 104 fließt zu messen.
Die Messeinrichtung 208 ist im Beispiel im ersten Leiter 204 angeordnet. Eine entsprechende Anordnung an einer anderen Stelle ist ebenfalls möglich.
Die Messeinrichtung 208 ist im Beispiel über eine Signalleitung 210 mit der Regel- und/oder Steuereinrichtung 202 zur Übertragung des gemessenen Strom verbunden. Der Leckstrom ist stark temperaturabhängig. Es kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 208 eine Einrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur T umfasst. Eine Temperaturmessung erfolgt am Halbleiterbauelement 100 oder in dessen direkter Umgebung. Der Grenzwert G bei der Temperatur T wird in diesem Aspekt in Abhängigkeit zu einem Referenzgrenzwert G0 bei einer Referenztemperatur T0 gemäß des folgenden exponentiellen Zusammenhangs bestimmt: k ist hierbei eine Konstante. Die Konstante beschreibt eine effektive Barrierenhöhe zu diesem Zeitpunkt.
Die Vorrichtung 200 umfasst im Beispiel eine Spannungs- und/oder Stromquelle 212 zur Ausgabe der Spannungen. Die Vorrichtung 200 umfasst im Beispiel eine Recheneinrichtung 214, insbesondere einen Mikroprozessor, die ausgebildet ist die im folgenden beschriebenen Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung 200 umfasst im Beispiel einen Speicher 216, der ausgebildet ist, Grenzwerte oder eine Kennlinie aus der Grenzwerte bestimmbar sind, abzuspeichern. Die Vorrichtung 200 umfasst im Beispiel eine Ausgabeeinrichtung 218, die ausgebildet ist, eine Ausgabe 220 auszugeben.
Ein Speicher, Aktuator, MEMS, Mikrospiegel, Druckkopf oder Lautsprecher kann diese Vorrichtung zum Überwachen des Halbleiterbauelements 100 und das Halbleiterbauelement 100 umfassen. Es kann vorgesehen sein, ein lifetime monitoring für den Speicher, Aktuator, MEMS, Mikrospiegel, Druckkopf oder Lautsprecher durchzuführen, bei dem das Halbleiterbauelement 100 überwacht wird.
Das Verfahren zum Überwachen des Halbleiterbauelements 100 wird im Folgenden anhand der Figur 16 beschrieben.
In einem Schritt 1600 wird das Halbleiterbauelement 100 in einem ersten Betriebsmodus betrieben, in dem die erste Spannung U1 anliegt. In einem Schritt 1602 wird im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 ein Leckstrom I erfasst, der durch die erste Elektrode 102 und die zweite Elektrode 104 des Halbleiterbauelements 100 fliest.
In einem Schritt 1604 wird in einem Aspekt der Leckstrom I in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert, z.B. einem der Leckstromlevel 700, 800, 1400 für den Leckstrom I verglichen. Im Schritt 1604 wird abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs die Ausgabe 220 bestimmt. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Grenzwert aus einer Vielzahl Grenzwerte bestimmt wird, den der Leckstrom I überschreitet oder unterschreitet.
Es kann vorgesehen sein, eine Spannungs- und/oder Temperaturabhängigkeit des Leckstroms I zu berücksichtigen. Beispielsweise wird der Grenzwert abhängig vom Referenzgrenzwert G0 und der Referenztemperatur T0 insbesondere mit dem oben beschriebenen exponentiellen Zusammenhang bestimmt.
Im Schritt 1604 kann in einem Aspekt ein Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms I auftritt. In diesem Aspekt kann die Ausgabe 220 abhängig vom Zeitpunkt bestimmt werden.
Die Ausgabe 220 umfasst einen Zustand des Halbleiterbauelements 100.
Es kann vorgesehen sein, dass der Restwert der Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 abhängig vom ersten Grenzwert bestimmt wird. In diesem Fall kann die Ausgabe 220 diesen Restwert umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass abhängig vom Zeitpunkt zu dem der Extremalpunkt, insbesondere das Maximum, des Leckstroms I auftritt, der Restwert der Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 bestimmt wird. In diesem Fall kann die Ausgabe 220 diesen Restwert umfassen.
Beispielsweise wird ein Text bestimmt, der den Zustand des Halbleiterbauelements 100 und eine Angabe über eine noch verbleibende Lebensdauer, z.B. den Restwert, umfasst. Der Restwert ist im Beispiel eine Zeitdauer, für die das Halbleiterbauelement 100 ausgehend von dem Zeitpunkt, zu dem der Leckstrom I erfasst wird, noch mit der ersten Spannung U1 betrieben werden kann, bis der Zeitpunkt eintritt, zu dem die Lebensdauer des Halbleiterbauelements 100 endet. Die Zeitdauer wird beispielsweise ausgehend von dem Zeitpunkt, zu dem der Leckstrom I erfasst wird mit dem zuvor beschriebenen Zusammenhang für die Bewegung von Defekten unter dem Einfluss der ersten Spannung U1 bis zu dem für die jeweilige Anwendung sinnvollen Zeitpunkt für das Ende der Lebensdauer berechnet.
In einem Aspekt wird ein Steuersignal bestimmt, das einen Betriebsmodus für das Halbleiterbauelement 100 vorgibt.
In einem Schritt 1606 wird die Ausgabe 220 ausgegeben.
Beispielsweise wird der Text in einer Nachricht versendet oder an einer Mensch- Maschine-Schnittstelle ausgegeben.
Beispielsweise wird das Steuersignal ausgeben, um das Halbleiterbauelement 100 oder eine Gerät, das das Halbleiterbauelement 100 umfasst, zum Betrieb in dem Betriebsmodus anzusteuern.
Anschließend wird der Schritt 1600 insbesondere mit dem dafür vorgegebenen Betriebsmodus ausgeführt. Es kann vorgesehen sein, das Verfahren aus einem der Gründe zu beenden, die im Folgenden beschrieben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Leckstrom I in einem Betrieb des Halbleiterbauelements 100 im ersten Betriebsmodus erfasst wird und der Betrieb des Halbleiterbauelements 100 im Schritt 1602 im ersten Betriebsmodus fortgesetzt wird, wenn der Leckstrom I den ersten Grenzwert überschreitet oder wenn der Restwert der Lebensdauer größer als ein erster Schwellwert ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in diesem Fall anschließend ein zweiter Grenzwert aus der Vielzahl der Grenzwerte bestimmt wird und der Betrieb des Halbleiterbauelements 100 entweder in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt oder der Betrieb beendet wird, wenn der Leckstrom I den zweiten Grenzwert überschreitet. Mit zunehmendem Leckstromlevel werden somit verschiedene Maßnahmen ergriffen. Es kann alternativ dazu vorgesehen sein, dass der Betrieb des Halbleiterbauelements 100 entweder in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt wird oder beendet wird. Der Betrieb kann im zweiten Betriebsmodus fortgesetzt werden, wenn der Restwert der Lebensdauer kleiner als ein zweiter Schwellwert ist. Der Betrieb kann beendet werden, wenn der Restwert der Lebensdauer größer als der zweite Schwellwert ist. Mit abnehmendem Restwert können verschiedene Maßnahmen ergriffen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Überwachen eines Halbleiterbauelements (100), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betrieb des Halbleiterbauelements (100) ein Leckstrom (I) erfasst wird (1602), der durch eine erste Elektrode (102) und eine zweite Elektrode (104) des Halbleiterbauelements (100) fliest, wobei der Leckstrom (I) in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert (700, 800, 1400) für den Leckstrom (I) verglichen wird und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs eine Ausgabe (220) bestimmt wird (1604) und/oder wobei ein Zeitpunkt (1604) bestimmt wird, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms (I) auftritt und abhängig vom Zeitpunkt eine Ausgabe (220) bestimmt wird, wobei die Ausgabe einen Zustand des Halbleiterbauelements (100) umfasst, und die Ausgabe (220) ausgegeben wird (1606).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Vielzahl Grenzwerte der erste Grenzwert (700, 800, 1400) bestimmt wird, den der Leckstrom (I) überschreitet oder unterschreitet, wobei ein Restwert einer Lebensdauer des Halbleiterbauelements (100) abhängig vom ersten Grenzwert (700, 800, 1400) bestimmt wird (1604), wobei die Ausgabe (220) den Restwert umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Zeitpunkt, zu dem der Extremalpunkt, insbesondere das Maximum, des Leckstroms (I) auftritt, ein Restwert einer Lebensdauer des Halbleiterbauelements (100) bestimmt wird (1604), wobei die Ausgabe (220) den Restwert umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckstrom (I) in einem Betrieb des Halbleiterbauelements (100) in einem ersten Betriebsmodus erfasst wird (1602), wobei der Betrieb des Halbleiterbauelements (100) im ersten Betriebsmodus fortgesetzt wird (1602), wenn der Leckstrom (I) den ersten Grenzwert (700, 800) überschreitet oder wenn der Restwert der Lebensdauer größer als ein erster Schwellwert ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Grenzwert (1400) aus der Vielzahl der Grenzwerte bestimmt wird, wobei der Betrieb des Halbleiterbauelements (100) in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt wird (1602) oder der Betrieb beendet wird, wenn der Leckstrom (I) den zweiten Grenzwert (1400) überschreitet oder dass der Betrieb des Halbleiterbauelements (100) in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt wird (1602) oder der Betrieb beendet wird, wenn der Restwert der Lebensdauer größer als ein zweiter Schwellwert ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzgrenzwert und eine Referenztemperatur vorgegeben werden, eine aktuelle Temperatur des Halbleiterbauelements (100) oder einer Umgebung des Halbleiterbauelements (100) bestimmt wird, ein Faktor abhängig von der aktuellen Temperatur und der Referenztemperatur bestimmt wird, der Referenzgrenzwert mit dem Faktor skaliert wird und der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert abhängig von dem mit dem Faktor skalierten Referenzgrenzwert bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Text bestimmt wird, der den Zustand des Halbleiterbauelements (100) und eine Angabe über eine noch verbleibende Lebensdauer umfasst, wobei der Text in einer Nachricht versendet oder an einer Mensch- Maschine-Schnittstelle ausgegeben wird (1606).
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal bestimmt wird (1604), das einen Betriebsmodus für das Halbleiterbauelement (100) vorgibt, wobei das Steuersignal ausgeben wird (1606), um das Halbleiterbauelement (100) oder eine Gerät, das das Halbleiterbauelement umfasst, zum Betrieb in dem Betriebsmodus ansteuert.
9. Vorrichtung (200) zum Überwachen eines Halbleiterbauelements (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) eine Messeinrichtung (208), eine Recheneinrichtung (214) und eine Ausgabeeinrichtung (218) umfasst, wobei die Messeinrichtung (208) ausgebildet ist, in einem Betrieb des Halbleiterbauelements (100) ein Leckstrom (I) zu erfassen, der durch eine erste Elektrode (102) und eine zweite Elektrode (104) des Halbleiterbauelements (100) fliest, wobei die Recheneinrichtung (214) ausgebildet ist, den Leckstrom (I) in einem Vergleich mit einem ersten Grenzwert (700, 800, 1400) für den Leckstrom (I) zu vergleichen und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs eine Ausgabe (220) zu bestimmen und/oder wobei die Recheneinrichtung (214) ausgebildet ist, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein Extremalpunkt, insbesondere ein Maximum, des Leckstroms (I) auftritt und abhängig vom Zeitpunkt eine Ausgabe (220) zu bestimmen, wobei die Ausgabe einen Zustand des Halbleiterbauelements (100) umfasst, und wobei die Ausgabeeinrichtung (218) ausgebildet ist, die Ausgabe (220) auszugegeben.
10. MEMS, Speicher, Aktuator, Mikrospiegel, Druckkopf oder Lautsprecher der die Vorrichtung (200) zum Überwachen eines Halbleiterbauelements (100) nach Anspruch 9 und das Halbleiterbauelement (100) umfasst.
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